轎車發(fā)動機罩蓋堅固安全性能評價驗證方法

傅紹晨+唐釗+鄭衛(wèi)寧+郭蓓

摘 要：通過CAE分析確定轎車在最大速度行駛，或者在高速行駛狀態(tài)下與大型卡車交匯時轎車發(fā)動機罩蓋所收到的空氣動力學載荷的大小與分布，并通過物理實驗對機罩堅固安全性進行考核，從而確定發(fā)動機罩蓋的堅固安全性能是否達標。

關鍵詞：CAE；機罩安全性；堅固安全性能

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Experimental method for evaluating the safety performance of hood

FU Shao-chen， TANG Zhao， ZHENG Wei-ning， GUO Bei

（ Dong Feng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd， Wuhan 430056， China ）

Abstract： Through the CAE analysis to determine the car traveling at maximum speed， or the intersection with large trucks at a high speed， the size and distribution of the aerodynamic load of car engine hood received， and through the physical experiment of strong safety hood assessment， so as to determine the engine cover strong safety performance standards.

Key Words： CAE； Hood safety performance； aerodynamics

1 前言

轎車在最大速度行駛的狀態(tài)下，或者高速行駛時與高速行駛的大型卡車交匯時，發(fā)動機罩蓋會受到很大的上升氣流的沖擊，有可能造成發(fā)動機罩蓋的內外板脫膠損壞，甚至翻起，從而威脅到轎車的行駛安全。發(fā)動機罩蓋必須擁有足夠的堅固性，才能夠避免以上狀況的發(fā)生。所以汽車發(fā)動機罩蓋堅固安全性能作為轎車安全性能的一個關鍵項，越來越受到各大汽車制造商的重視。

而利用實車進行相關試驗花費昂貴，而且比較危險，本文提出一種替代實車實驗的實驗方法。本文在CAE模擬計算的基礎上，利用物理實驗對發(fā)動機罩蓋的堅固安全性能進行實驗，從而保證發(fā)動機罩蓋的堅固安全性能達標，規(guī)避安全風險。

2 仿真計算

轎車最大速度行駛，或者高速行駛時與大型卡車交匯所受到的空氣載荷的大小，以及載荷的方向是不相同的，但計算時邊界約束條件以及車內部自身產生的阻力載荷大致是相同的。

2.1 轎車以最高速度行駛時的空氣載荷

一、邊界約束條件

發(fā)動機罩蓋鉸鏈固定頁板嵌入到車身上的相應支撐區(qū)域 ，鉸鏈安裝孔完全約束。機罩鎖扣嵌入到嚙合點，約束3個方向的平移： Tx，Ty，Tz，機罩周圍環(huán)境件與車身相結合的地方都進行全約束，如圖1所示，三角形的位置就是進行約束的位置。

二、載荷加載

載荷力由兩部分構成：（1）發(fā)動機罩蓋表面上的外部力（2）發(fā)動機罩蓋表面下的內部反作用力。發(fā)動機罩蓋外表面載荷的加載，在高速（這里使用160km/h）與卡車交匯工況時氣流的入射角為0度 ，Vmax工況下氣流的入射角為10度，載荷加載示意圖如下圖2所示：

將入射氣流在流體軟件（CFD）中進行處理，得出的流體載荷分布導入hyperworks，得出外部力在外板上的的投影，如下圖3所示：

機罩內部反作用力表示發(fā)動機艙內部誘發(fā)出的空氣阻力，反作用力的數(shù)值不是由計算得來，而是根據(jù)風洞試驗測量，或者根據(jù)流體動力學數(shù)據(jù)庫查詢得來，圖4為某款車型的發(fā)動機罩蓋內部誘發(fā)的空氣阻力分布。

雖然實驗時機罩處于開啟狀態(tài)，但是由于流體壓力場是封閉的，所以在計算時機罩還是處理為關閉狀態(tài)。

2.2 轎車以最高速度與卡車交匯時的空氣載荷

這種工況是對轎車與重型車的交匯的整車試驗進行建模，該試驗模擬的是汽車高速行駛下（160km/h）與以90Km/h速度行駛的重型車反向會車是，機罩受到的。

一、邊界約束條件

邊界條件與轎車高速行駛的工況一致，唯一的差異是其前部固定是通過安全鉤的界面來實現(xiàn)的，安全鉤嵌在其鉤掛點上，約束3個方向的平移： Tx， Ty， Tz，如圖5所示：

二、載荷加載

與轎車高速行駛一樣，載荷力由兩部分構成：（1）機罩表面上的外部力（2）機罩表面下的內部反作用力。機罩外表面載荷的加載，氣流的入射角為10度。內部反作用力來自于實驗測量或者數(shù)據(jù)庫提供。由于氣流壓力場是封閉的，所以計算時機罩處理為關閉狀態(tài) 。

2.3 氣動載荷的重新輸入

利用計算軟件hyper works將轎車發(fā)動機罩蓋受到的沖擊載荷導出，結果如下圖六所示，可以看出發(fā)動機罩蓋受到氣流載荷最大的區(qū)域。為了便于物理實驗的展開，需要將分布在整個機罩上的載荷經(jīng)過換算，利用在氣流載荷最大區(qū)域上的一個載荷來進行等效替換。

公式①表示單位面積上的機罩所受到的氣動載荷，其中Selem表示單元迎風面積，KPmoy表示空氣阻力系數(shù)，ρ表示空氣密度，V0表示轎車相對空氣的速度。公式②表示機罩所受氣動載荷的總和。

3 物理實驗驗證

CAE計算出發(fā)動機罩蓋氣動載荷的等效力值，力的方向與力的作用點，根據(jù)此進行相對應的物理實驗，從而確定發(fā)動機罩蓋組成件（外板，內板，鎖扣加強板等）以及其連接（焊點、填充點、包邊、膠條等）在氣流影響下的安全強度性能。endprint

3.1 實驗前的準備

準備一個帶鉸鏈的考核發(fā)動機罩蓋，最好為白色以便攝像和拍照，檢查發(fā)動機罩蓋的完整性和焊點符合性（包括涂膠、包邊、焊點強度等）。

準備一塊邊長120mm左右的正方形金屬板，該金屬板的強度應遠大于發(fā)動機罩蓋內外板的強度，為保證不影響實驗的進行該金屬板的厚度應控制在5mm左右。

使用鉚槍將金屬板用6個間距最少為50mm的鉚釘固定，鉚釘均勻分布于發(fā)動機罩蓋內板帶的兩側，且鉚釘不能穿過發(fā)動機罩蓋內板；金屬板定位于等效發(fā)動機罩蓋氣動載荷的地方。

實驗前將各種傳感器進行標定，以確保實驗的精度。

3.1.1 發(fā)動機罩蓋的固定

為保證實驗的精確度，實驗時發(fā)動機罩蓋需按下列要求進行固定：

將帶鉸鏈的發(fā)動機罩蓋與一個剛性垂直的工裝連接，鉸鏈上的緊固件須按照最小擰緊力矩打緊。

使用角度測量儀將機罩傾斜角度α（α=機罩在關閉狀態(tài)下，鉸鏈固定頁板與活動頁板之間的夾角，由試驗申請者根據(jù)不同車型的要求提供），并固定。

將力傳感器傾斜，使其受力方向在發(fā)動機罩蓋中垂面上并垂直于發(fā)動機罩蓋鎖扣。牽引力方向與水平面成β向上（β=機罩在關閉狀態(tài)下，鉸鏈固定頁板與水平面之間的夾角）。圖7所示為機罩固定的示意圖。

3.2 進行實驗

如圖8所示，將施力工具與金屬板掛鉤連接并施加力值，施力方向沿機罩外表皮空氣動力方向，力值逐漸增加，建議施力速度為0.5 mm/s；工具與金屬板的連接不能導致在機罩上產生力矩。

如圖9所示，機罩鎖扣與力傳感器通過連接桿剛性連接，依據(jù)α的大小調節(jié)連接桿的位置使其與鎖扣固定。

持續(xù)增加載荷直至機罩內外板分離（從首次脫膠至機罩內外板完全分離）或達到試驗要求的力值。

試驗過程中使用照片或視頻記錄外板/內板每個膠條的撕開。

記錄鎖扣處力值與時間的曲線；記錄施力點處的力值與位移變化的曲線。

3.3 實驗數(shù)據(jù)的測量

試驗前：設定系統(tǒng)測量參數(shù)以便輸出曲線圖

鎖扣處產生的力值定義為F1

施力點的作用力定義為 F2

施力點處的位移定義為S

測量擰緊力矩

試驗中：測量和記錄相關試驗參數(shù)

記錄F1隨時間的變化

記錄F2隨時間的變化

記錄S隨時間的變化

當增加負荷時，記錄各個涂膠位置的脫落過程（照片或錄像），標出鉸鏈和鎖扣銷支架處的折痕，方便解釋輸出的曲線圖和描述詳細的失效情景。

3.4 實驗數(shù)據(jù)的處理

根據(jù)試驗測量的數(shù)據(jù)輸出受力以及位移的曲線圖，如下圖10所示，并在圖上標注出各脫膠階段的說明。依據(jù)試驗CAE中的計算結果判定試驗結果是否合格。

4 結束語

本文在CAE仿真計算的基礎上，運用物理實驗對發(fā)動機罩蓋的堅固安全性能進行驗證，同時此方法周期短，實驗便于實施，成本低，能夠很好地對發(fā)動機罩蓋的堅固安全性能進行考察，從而保證轎車在高速行駛，或與大型卡車交匯時遭遇巨大上升氣流沖擊時的安全性能，對提升整車的被動安全性能，保障乘員安全具有重要意義。

參考文獻：

[1]《DPCA B38 0024-2016機罩拔脫力實驗方法》.endprint